UV-Entkeimung und UV-Messtechnik in Verpackung und Abfüllanlagen

Die Entkeimung von Packmitteln und Anlagenoberflächen mit ultravioletter Strahlung ersetzt oder ergänzt in Abfüllanlagen chemische und thermische Verfahren – auf Verschlusskappen, Preforms, Becherrändern, Deckelfolien, Kartonbahnen und Förderelementen, ohne Rückstände, ohne Wärmeeintrag und im Takt der Linie. Maßgeblich ist dabei weder die Bestrahlungszeit noch die elektrische Lampenleistung, sondern die am Zielort tatsächlich absorbierte Fluenz in Millijoule pro Quadratzentimeter, gewichtet mit der spektralen Wirksamkeit der eingesetzten Wellenlänge. Genau diese Größe ist an gekrümmten, teilverschatteten und schnell bewegten Packmitteloberflächen schwer zugänglich. Die Herausforderung der UV-Entkeimung in der Verpackung liegt deshalb weniger in der Strahlungserzeugung als in der Dosisverteilung und in ihrer messtechnischen Nachweisbarkeit.

Der belastbarste Marktindikator für dieses Themenfeld ist nicht ein eigener „UV-Entkeimungsmarkt“, sondern der Verpackungsmaschinenbau selbst: Der VDMA berichtete für 2025 eine Produktion der deutschen Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinenhersteller von knapp 17 Mrd. Euro; die Verpackungsmaschinen legten dabei allein um 8 % auf 9 Mrd. Euro zu, bei einer Exportquote der Branche von rund 80 %. Für die UV-Technik ist die Struktur dieser Zahl aussagekräftiger als ihre Höhe: Ein exportgetriebener Anlagenbau verkauft Prozesse, die in unterschiedlichen Regulierungsräumen validierbar sein müssen – und Validierbarkeit heißt bei UV-Prozessen messbare Fluenz.

Als angrenzender Indikator dient die aseptische Verpackung, die kommerzielle Marktstudien für 2025 auf rund 77 bis 89 Mrd. US-Dollar mit jährlichen Wachstumsraten zwischen 8 und 11 % beziffern (Fortune Business Insights, Mordor Intelligence, Future Market Insights, jeweils 2025/2026). Die Spannweite von mehr als zehn Milliarden US-Dollar zeigt vor allem, wie uneinheitlich die Marktdefinition zwischen Packstoff, Maschine und Abfüllleistung ist – die Zahlen taugen zur Richtungsbestimmung, nicht zur Auslegung.

Technologisch verschieben sich drei Dinge gleichzeitig: Der Anteil kaltaseptischer Linien wächst, in denen Packmittel chemisch-strahlungstechnisch statt thermisch entkeimt werden; der zulässige Chemikalieneinsatz sinkt, was die UV-Komponente in Kombinationsverfahren aufwertet; und die Regulierung verändert die Lichtquellen selbst. Die zeitlich befristete RoHS-Ausnahme 4(f)-IV für quecksilberhaltige UV-Speziallampen läuft am 24. Februar 2027 aus – Details dazu stehen unter RoHS und UV-Lampen – aktuelle Regelungen und Entwicklungen –, und die Minamata-Konvention hat 2023 Ausstiegsdaten für Leuchtstofflampen der Allgemeinbeleuchtung auf 2026 und 2027 gesetzt. Germicide UV-Strahler sind davon nicht unmittelbar erfasst, geraten aber über Lieferketten und betriebliche Nachhaltigkeitsziele unter Substitutionsdruck. Wer eine Quecksilberniederdrucklampe durch UV-C-LED ersetzt, ändert Spektrum, Winkelverteilung und Temperaturabhängigkeit gleichzeitig – ein Prozess, der zuvor über Betriebsstunden freigegeben wurde, muss danach über gemessene Bestrahlungsstärke freigegeben werden.

Vier Entwicklungen verändern die Anforderungen an die UV-Entkeimung in der Abfülllinie:

• Steigende Wandsteckereffizienz der UV-C-LED. 2025 wurde für einen 265-nm-Emitter mit 200 mW Strahlungsleistung eine validierte Wandsteckereffizienz von gut 10 % bei über 20 000 Stunden Lebensdauer berichtet – etwa eine Verdopplung gegenüber zuvor verfügbaren Hochleistungstypen. Fluenzen, die bisher nur mit Amalgamlampen erreichbar waren, werden damit in kompakten, pulsbaren Anordnungen erreichbar; die Wärmeabfuhr wird zum begrenzenden Konstruktionsproblem statt der Strahlungsleistung.
• Verlagerung der Dosis von der Chemie zur Optik. Sinkende zulässige Peroxidrestgehalte und Nachhaltigkeitsziele reduzieren die chemische Komponente in Kombinationsverfahren – der optische Anteil muss steigen, und damit auch die Genauigkeit seiner Bestimmung.
• Normung der Fluenzbestimmung im Wasserbereich. Die Neufassung DIN 19294-2:2026-04 konkretisiert die Umrechnung biodosimetrischer Ergebnisse auf die reduktionsäquivalente Fluenz von 400 J/m². Die dort etablierte Trennung zwischen Gerätesensorwert, Referenzradiometer und reduktionsäquivalenter Fluenz wird zum Vorbild für Oberflächenanwendungen, für die eine vergleichbare Normung noch fehlt.
• Far-UVC als Sicherheits-, nicht als Effizienzargument. 222-nm-Quellen setzen sich dort durch, wo Personenexposition den Anlagenzuschnitt bestimmt. Die Auslegung verschiebt sich von maximaler zu maximal zulässiger Fluenz, und die Reinigungsvorstufe wird wichtiger, weil die geringe Eindringtiefe Rückstände weniger toleriert.

UV-Entkeimung ist ein photochemischer, kein thermischer Prozess. UV-C-Photonen im Bereich 200 bis 280 nm werden von Nukleinsäuren absorbiert; das Absorptionsmaximum der DNA liegt bei etwa 260 bis 265 nm. Die absorbierte Energie erzeugt Photoprodukte zwischen benachbarten Pyrimidinbasen – vor allem Cyclobutan-Pyrimidindimere –, die Replikation und Transkription blockieren: Die Zelle bleibt strukturell intakt, ist aber nicht mehr teilungsfähig. Was UV-C-Strahlung dabei physikalisch auszeichnet, ist unter Was ist UV-Strahlung? grundlegend erklärt. Bei Sporen und Konidien kommt eine zusätzliche Barriere hinzu: Sporenhüllen, Dipicolinsäure-Calcium-Komplexe und Pigmente wie Melanin absorbieren oder streuen Strahlung, bevor sie die DNA erreicht.

Die Wirkung skaliert mit der Fluenz H, dem Produkt aus Fluenzrate und Einwirkzeit; im einfachsten Modell reduziert eine Fluenz von einem D₁₀-Wert die Keimzahl um eine Zehnerpotenz. Realkurven weichen davon in zwei Richtungen ab: Eine Schulter zu Beginn zeigt Reparaturkapazität oder Abschirmung, ein Tailing am Ende weist auf geometrisch oder physiologisch geschützte Subpopulationen hin. Der D₁₀-Wert ist deshalb ein Mittelwert über einen Fluenzbereich, keine Materialkonstante – für die Praxis folgt daraus, dass die letzte Zehnerpotenz einer geforderten Reduktion oft mehr Fluenz kostet als die erste.

Zur Abgrenzung: Elektronenstrahlbehandlung erreicht auf Preforms und Kartonbahnen sehr hohe Reduktionsraten, ist aber ein ionisierendes Verfahren mit eigener Strahlenschutz- und Genehmigungslogik – keine optische Alternative im engeren Sinne.

Bestrahlungsstärke am Zielort. Maßgeblich ist nicht die Bestrahlungsstärke in der Referenzebene des Lampenherstellers, sondern die Fluenzrate an der kritischen Stelle des Packmittels – im Kappengewinde, an der Dichtlippe, an der Preformmündung. Zwischen beiden liegen Abstandsgesetz, Winkelabhängigkeit sowie Reflexion und Transmission der Quarzhülle.

Einwirkzeit und Taktzeit. In getakteten Linien ist die Einwirkzeit durch Bandgeschwindigkeit und Tunnellänge festgelegt – die am schlechtesten anpassbare Größe, denn eine Dosiserhöhung über die Zeit bedeutet Durchsatzverlust. Anpassungen erfolgen deshalb praktisch immer über die Bestrahlungsstärke oder über die Geometrie.

Wellenlänge und spektrale Verteilung. Die germicide Wirksamkeit ist stark wellenlängenabhängig; zwischen 254 und 279 nm liegt bei gleicher Fluenz ein relevanter Wirksamkeitsunterschied, und polychromatische Quellen erfordern eine spektral gewichtete Dosis. Eine Angabe „mJ/cm²“ ohne Bezugswellenlänge oder Wichtungsfunktion ist nicht interpretierbar.

Einfallswinkel und Geometrie. Auf einer gekrümmten Fläche variiert die Bestrahlungsstärke mit dem Kosinus des Einfallswinkels. Die Innenseite einer Verschlusskappe erhält deshalb selbst bei freier Sichtlinie systematisch weniger Fluenz als eine planare Referenzfläche im gleichen Abstand.

Oberflächenzustand und Matrix. Organische Rückstände, Produktreste, Kondensat und Biofilme absorbieren UV-C und schirmen Mikroorganismen ab. Dieser Effekt ist quantitativ oft größer als alle Optimierungen an der Lichtquelle.

Lampen- und Umgebungstemperatur. Bei Quecksilberniederdrucklampen bestimmt die Wandtemperatur den Quecksilberdampfdruck und damit die UV-C-Ausbeute; Prozessluft und Kühlung können die Strahlungsleistung erheblich verändern, ohne dass sich die elektrische Aufnahme ändert. Bei UV-C-LED verschiebt eine steigende Sperrschichttemperatur die Peakwellenlänge und senkt die Strahlungsleistung.

Verschmutzung und Alterung. Quarzhüllen, Fenster und Reflektoren verlieren Transmission beziehungsweise Reflexionsgrad. Die Kombination aus Lampenalterung und Fensterverschmutzung ist die häufigste Ursache für ein langsames, unbemerktes Absinken der tatsächlichen Fluenz.

Zielorganismus und Ausgangskeimzahl. Die geforderte Fluenz ergibt sich aus dem resistentesten relevanten Organismus und dem Ausgangsniveau, nicht aus einem allgemeinen Erfahrungswert.

Elektrische Wattzahl ist keine optische Dosis. Zwei Lampen mit identischer Anschlussleistung emittieren je nach Typ, Alterungszustand und Betriebstemperatur einen sehr unterschiedlichen UV-C-Strahlungsfluss; der optische Wirkungsgrad ist bei Quecksilberniederdrucklampen hoch, bei UV-C-LED derzeit einstellig bis knapp zweistellig. Die applizierte Fluenz zweier Anlagen mit gleicher Wattzahl kann sich deshalb um eine Größenordnung unterscheiden.

Eine Sekundenangabe beschreibt keinen Prozess. „Acht Sekunden UV“ ist ohne Bestrahlungsstärke am Zielort und ohne Bezugswellenlänge nicht reproduzierbar und nicht auf eine andere Linie übertragbar.

Die Matrix dominiert häufig über die Dosis. Bei identischer Fluenz von 1500 mJ/cm² bei 272 nm wurde für Escherichia coli, aus Phosphatpuffer aufgetrocknet, eine Reduktion von mehr als sieben Zehnerpotenzen gemessen, aus Nährmedium aufgetrocknet dagegen nur etwa 1,5 Zehnerpotenzen. Eine Verfünfzigfachung der Dosis kompensiert einen solchen Matrixeffekt nicht – Reinigung vor Entkeimung ist damit keine Hygieneempfehlung, sondern eine dosisrelevante Prozessstufe.

Die Resistenzrangfolge ist nicht quellenunabhängig. Was gegen Bakteriensporen wirkt, wirkt nicht zwangsläufig gegen Schimmelkonidien. Bei 254 nm benötigten Aspergillus-Konidien auf trockener Oberfläche Fluenzen von 0,8 bis 1,3 J/cm² für zwei Zehnerpotenzen, während Bacillus-Sporen in Wasser mit etwa 0,15 bis 0,21 J/cm² für drei Zehnerpotenzen auskamen. Unter gepulstem Xenonlicht kehrt sich das Verhältnis teilweise um – eine Technologieauswahl ohne Festlegung des Zielorganismus ist deshalb nicht möglich.

Abschattung wirkt nur in schwach reflektierenden Kammern. In gut reflektierenden Kammern kann diffus reflektierte Strahlung eine geometrische Abschattung weitgehend ausgleichen, in matten, absorbierenden Umgebungen dagegen nicht. Ob Abschattung relevant ist, ist eine Eigenschaft der Kammer, nicht des Packmittels allein.

Reziprozität gilt nicht unbegrenzt. Das Bunsen-Roscoe-Gesetz – gleiche Fluenz erzeugt gleiche Wirkung, unabhängig von der Fluenzrate – ist die Grundlage jeder Dosisrechnung. Bei gepulstem Licht mit Spitzenbestrahlungsstärken um 10 MW/m² und Pulsdauern von etwa 250 µs gilt es nur eingeschränkt, weil photothermische Anteile hinzutreten. Eine aus gepulsten Versuchen abgeleitete Dosis lässt sich nicht ohne Weiteres auf kontinuierliche Quellen übertragen und umgekehrt.

Ein Wandsensor sieht nicht, was die Kappeninnenseite sieht. Ein Sensor in der Tunnelwand misst einen Anteil des Strahlungsfeldes, nicht die Fluenz an der kritischen Fläche. Solche Anlagensensoren eignen sich für die Trendüberwachung, ersetzen aber keine ortsauflösende Erstvalidierung.

Subletale Dosen können sich rächen. Photoreaktivierung und Dunkelreparatur können nach subletalen Fluenzen zu einer messbaren Wiederzunahme kultivierbarer Keime führen; der Effekt nimmt mit steigender Fluenz ab. Prozesse nahe der Mindestdosis sind gegenüber Reparaturphänomenen besonders empfindlich – insbesondere, wenn zwischen Entkeimung und Verschluss noch Umgebungslicht auf die Oberfläche fällt.

Sensor und Quelle müssen zueinander passen. Ein auf die 254-nm-Linie kalibriertes Breitbandradiometer, eingesetzt an einer 279-nm-LED, liefert einen systematischen Fehler; bei polychromatischen Mitteldrucklampen ist er noch größer. Wie groß dieser Fehler ausfällt und wie er sich abschätzen lässt, beschreibt die spektrale Fehlanpassung bei UV-Sensoren.

Packmittel sind optisch keine neutralen Träger. Polyethylenterephthalat absorbiert im UV-C-Bereich stark; eine Preformwand ist für 254 nm praktisch opak, weshalb Innen- und Außenflächen getrennt bestrahlt werden müssen. Polyolefine sind etwas transparenter, aber additivabhängig: UV-Absorber und Weißpigmente wie Titandioxid verringern die an tieferliegende Flächen gelangende Fluenz und erhöhen zugleich die diffuse Rückstreuung. Aluminiumbeschichtete Deckelfolien reflektieren spiegelnd und erzeugen dadurch stark inhomogene Felder mit lokalen Maxima und Minima; matte Edelstahloberflächen streuen diffus und homogenisieren.

Spektral kommt ein Effekt hinzu, der bei kurzen Wellenlängen an Bedeutung gewinnt. Far-UVC bei 222 nm hat in organischen Materialien eine geringe Eindringtiefe – der Grund für die günstigeren Personenexpositionsgrenzwerte, aber ein Nachteil in der Prozessanwendung: Schon sehr dünne Rückstands- oder Kondensatfilme reduzieren die Wirksamkeit an der Grenzfläche deutlich stärker als bei 254 nm. Unterhalb etwa 240 nm entsteht zudem Ozon aus Luftsauerstoff, was Materialverträglichkeit, Abluftführung und Arbeitsschutz betrifft – dieselbe Chemie, die bei der Oberflächenreinigung und -aktivierung mit UVC und Ozon gezielt genutzt wird, ist hier ein Nebeneffekt, der mitgedacht werden muss.

Geometrisch entscheidend ist der Winkel, nicht die Sichtlinie. Eine Verschlusskappe mit Innengewinde, Dichtlippe und Stegen besitzt Flächen, deren Normalenvektoren um mehr als 60 Grad von der Einstrahlrichtung abweichen; der Kosinusfaktor allein halbiert dort die Bestrahlungsstärke, bevor Abschattung und Abstandszunahme überhaupt berücksichtigt sind. Materialverträglichkeit setzt die zweite Grenze: Hohe Fluenzen können Polymere lokal versprödend oder vergilbend verändern und Additive photolytisch spalten, was bei Lebensmittelkontakt zu einer Migrationsbewertung führt.

Die Fluenz H als germicide Wirkgröße ergibt sich für eine kontinuierliche, spektral verteilte Quelle zu H_eff = t · ∫_{200 nm}^{300 nm} E_λ(λ) · s(λ) dλ, mit E_λ(λ) als spektraler Bestrahlungsstärke am Zielort in W/(m²·nm), s(λ) als germicider Wirkungsfunktion, normiert auf die Bezugswellenlänge, und t als Einwirkzeit. Die Winkelabhängigkeit folgt dem Lambertschen Kosinusgesetz E(θ) = E₀ · cos θ, und die Inaktivierung im logarithmischen Bereich log₁₀(N/N₀) = −H_eff / D₁₀.

Bedeutung der Variablen. E₀ ist die Bestrahlungsstärke bei senkrechtem Einfall, θ der Winkel zwischen Flächennormale und Einstrahlrichtung, D₁₀ die Fluenz für eine Zehnerpotenz Reduktion des betrachteten Organismus auf dem betrachteten Substrat.

Voraussetzungen. Die Gleichungen setzen Reziprozität voraus – also Unabhängigkeit der Wirkung von der Fluenzrate –, eine bekannte Wirkungsfunktion und eine homogene, dünne Keimschicht ohne Selbstabschirmung.

Grenzen des Modells. Bei Schulter- oder Tailing-Kinetik ist D₁₀ keine Konstante. Bei gepulsten Quellen und sehr hohen Fluenzraten verliert die Reziprozität ihre Gültigkeit. Bei mehrschichtigen Keimaggregaten oder in Rückstandsfilmen wird die effektive Fluenz an der Zielzelle durch Absorption nach Lambert-Beer gedämpft, sodass die gemessene Oberflächenfluenz eine obere Schranke darstellt.

Praktische Konsequenz. Die Auslegung muss den ungünstigsten Punkt der Packmitteloberfläche bewerten, nicht den Mittelwert. Ein Feld, das im Mittel die geforderte Fluenz erreicht, kann an der Dichtlippe eine Zehnerpotenz darunter liegen – und genau diese Stelle bestimmt die Sterilität des Verschlusses.

Annahmen. Verschlusskappen laufen mit 0,5 m/s durch einen 0,6 m langen UV-Tunnel; die Bestrahlungsstärke in der Referenzebene beträgt 60 mW/cm² bei 254 nm. Die kritische Fläche ist eine Innenflanke mit einem Einfallswinkel von 60 Grad, deren Abstand zur Quelle um den Faktor 1,3 größer ist als in der Referenzebene.

Modell. H = E₀ · cos θ · (1/1,3)² · t, anschließend log₁₀(N/N₀) = −H / D₁₀.

Rechnung. Einwirkzeit t = 0,6 m / 0,5 m/s = 1,2 s. Winkelfaktor cos 60° = 0,5. Abstandsfaktor 1/1,69 ≈ 0,59. Effektive Bestrahlungsstärke 60 · 0,5 · 0,59 ≈ 17,7 mW/cm². Effektive Fluenz H ≈ 17,7 · 1,2 ≈ 21 mJ/cm².

Ergebnis. Gegen vegetative Bakterien auf glatten, sauberen Oberflächen liegt dieser Wert im wirksamen Bereich: Mit UV-C-LED wurden bereits bei 6 mJ/cm² auf Borosilikatglas Reduktionen zwischen 2,8 und 3,8 Zehnerpotenzen für E. coli, Salmonella Enteritidis und Pseudomonas fragi erreicht. Gegen trockene Schimmelkonidien liegt er weit darunter: Mit einem aus Vergleichsmessungen abgeleiteten mittleren D₁₀ von rund 400 mJ/cm² für Aspergillus-Konidien bei 254 nm ergeben 21 mJ/cm² weniger als 0,1 Zehnerpotenzen.

Technische Interpretation. Derselbe Tunnel ist gegen die eine Zielgruppe sicher wirksam und gegen die andere praktisch unwirksam. Die Auslegungsfrage lautet deshalb nicht „genügt die Anlage“, sondern „welcher Organismus ist an welcher Stelle bestimmend“. Erhöht man die Dosis über die Zeit, kostet das Durchsatz; erhöht man sie über die Geometrie – zusätzliche Strahler mit günstigerem Einfallswinkel auf die Innenflanke –, wirkt der Kosinusfaktor sofort und ohne Taktverlust. Nur eine winkelrichtige Messung an der kritischen Fläche zeigt, welcher der beiden Wege trägt.

Getränkeabfüllung. In kaltaseptischen PET-Linien werden Preforms, Flaschenmündungen und Verschlusskappen entkeimt, häufig in Kombination mit Wasserstoffperoxid. Kritisch ist die Fluenz an Mündung und Kappeninnenseite, weil dort der spätere Produktkontakt und die Dichtfläche liegen – bei stillen Getränken und Produkten mit niedriger Säure entscheidet diese Stelle über die Haltbarkeit.

Molkerei und Becherabfüllung. Deckelfolien, Becherränder und Siegelflächen werden im Durchlauf bestrahlt, oft mit Fokus auf Hefen und Schimmelpilze. Die kritische Größe ist die Homogenität des Feldes über die Bahnbreite, weil ein einziger unterversorgter Randbereich die Rekontamination der gesamten Charge tragen kann.

Aseptische Kartonverpackung. Bahnförmige Packstoffe erlauben hohe Fluenzen bei hoher Bahngeschwindigkeit, weil die Geometrie planar ist. Hier sind nicht der Winkel, sondern Bahnspannung und Abstand über die Breite maßgeblich; Kombinationsverfahren mit Peroxid reduzieren die notwendige optische Dosis.

Pharmazeutische und parenterale Abfüllung. In Isolatoren und RABS dient UV-C der Oberflächen- und Materialschleusenentkeimung ergänzend zur Dekontamination mit verdampftem Wasserstoffperoxid. Maßgeblich sind reproduzierbare Fluenzverteilungen und die Dokumentation für die Prozessvalidierung; regulatorisch wird für aseptische Abfüllmaschinen typischerweise mindestens eine Reduktion um vier Zehnerpotenzen gefordert, mit einem Sterility Assurance Level besser als 10⁻⁶ als Zielgröße für das Gesamtsystem.

Prozessluft und Prozesswasser. UV-C in Kanälen und Überströmzonen reduziert luftgetragene Keime; hier dominiert die Fluenzrate gegenüber der Zeit, weil die Verweilzeit kurz ist. Für die Wasserdesinfektion existiert mit dem DVGW-Regelwerk W 294 ein durchnormierter Rahmen – nach deutschem Regelwerk geprüfte Geräte benötigen eine reduktionsäquivalente Fluenz von mindestens 400 J/m², bezogen auf Bacillus subtilis und 254 nm, biodosimetrisch ausgewertet. Auf Oberflächen existiert eine vergleichbare verbindliche Normung bislang nicht, aber der Rahmen zeigt, wie eine belastbare UV-Dosisdefinition aussieht.

Kosmetik, Heimtiernahrung und Convenience. Überall dort, wo konservierungsmittelreduzierte Rezepturen auf verlängerte Haltbarkeit treffen, verschiebt sich Last von der Formulierung auf die Packmittelhygiene – und damit auf die Fluenz an Siegel- und Dichtflächen.

• Zonen mit Personenpräsenz. Wo Bedienpersonal anwesend ist, sind 254-nm-Systeme nur mit Einhausung und Verriegelung einsetzbar. Far-UVC bei 222 nm hat deutlich höhere Expositionsgrenzwerte und wird für halboffene Übergabestellen diskutiert; die Sicherheit der UV-Desinfektion beschreibt die zugrunde liegenden Schutzkonzepte. Die Wirksamkeit auf realen, nicht makellos gereinigten Oberflächen ist bei 222 nm jedoch schwächer belegt als bei 254 nm.
• Enge Bauräume und Retrofit. UV-C-LED erlauben Anordnungen, die mit Röhrenlampen geometrisch nicht darstellbar sind – etwa Strahlerreihen direkt über einer Kappenrutsche mit wenigen Millimetern Abstand. Der kleine Abstand kompensiert die geringere Quelleneffizienz teilweise, verschärft aber die Anforderungen an thermisches Management und Homogenität.
• Feuchte, Kondensat und CIP. Sensorik in der Sterilzone muss reinigungsmittelfest, spaltfrei und thermisch belastbar sein. Kondensat auf dem Sensorfenster erzeugt einen Messfehler in derselben Richtung wie der reale Prozessfehler, verdeckt ihn also nicht – ein Argument für getrennte Referenzmessungen im trockenen Zustand.
• Hohe Sporenlast. Rein optische Verfahren erreichen sporizide Anforderungen nur mit hohen Fluenzen. Die Kopplung mit niedrig konzentriertem Wasserstoffperoxid nutzt die dokumentierte Synergie beider Wirkprinzipien und senkt sowohl die notwendige Peroxidkonzentration als auch die optische Dosis.

Die Messaufgabe folgt aus der Prozessaufgabe, nicht aus dem Geräteangebot. Benötigt wird die Bestrahlungsstärke am kritischen Ort, integriert über die Einwirkzeit und gewichtet mit der wirksamen Wellenlänge. Daraus ergeben sich vier Ebenen.

Erstcharakterisierung, spektral. Bei polychromatischen Quellen – Mitteldrucklampen, gepulstes Xenonlicht – und bei jedem Technologiewechsel ist eine spektrale Messung erforderlich, etwa mit dem UVpad oder dem SR900. Nur sie liefert die spektrale Bestrahlungsstärke und erlaubt die Berechnung der wirksamen Fluenz sowie den Vergleich zwischen Quellen mit unterschiedlichem Spektrum. Bei UV-C-LED ist die spektrale Messung zusätzlich nötig, weil Peakwellenlänge und Halbwertsbreite von Charge, Strom und Sperrschichttemperatur abhängen – Grundlagen dazu stehen unter UV-LEDs für UVA, UVB und UVC.

Ortsauflösende Validierung. Die Fluenzverteilung über die Packmitteloberfläche wird an der Position und in der Orientierung der kritischen Fläche gemessen, nicht in einer bequem zugänglichen Ebene. Ein Handmessgerät mit kosinusbewertetem Messkopf wie das RMD Pro klärt Einzelpositionen im Stillstand; für den mitlaufenden Nachweis im Produktstrom ist der tinyTracker mit 10 mm Bauhöhe flach genug, um durch eine Bandanlage zu laufen und dabei Bestrahlungsstärke und Dosis aufzuzeichnen. Für sehr kurze Durchläufe löst das curelog mit bis zu 2000 Messwerten je Sekunde in vier Spektralbereichen auch schnelle Linien zeitlich auf. Erst diese Messung beantwortet die Frage, ob die Auslegung den ungünstigsten Punkt trifft.

Laufende Überwachung, breitbandig. Ist das Spektrum einmal bekannt und stabil, genügt für den Betrieb ein breitbandiger, fest installierter Sensor, dessen Anzeige über die Erstcharakterisierung auf die wirksame Fluenz zurückgeführt wurde – als Inline-Sensoren im Strahlengang, digital angebunden über PLC.D oder PLC.net, oder mit analogem Ausgang über SPS-Sensoren. Diese Arbeitsteilung – spektral charakterisieren, breitbandig überwachen – ist der übliche und belastbare Weg. Sie bricht, sobald sich das Quellenspektrum ändert, etwa durch Lampentausch, Alterung oder LED-Retrofit.

Laborseitige Dosis-Wirkungs-Bestimmung. D₁₀-Werte für den realen Packstoff und den relevanten Zielorganismus lassen sich nur mit definierter, homogener Bestrahlungsstärke ermitteln, wie sie Bestrahlungskammern für Wirksamkeitsversuche bereitstellen.

In getakteten Linien muss der UV-Schritt eine Freigabeentscheidung erzeugen, nicht nur einen Messwert. Technisch bedeutet das einen dauerhaft im Strahlungsfeld verbleibenden Sensor, dessen Signal in der Anlagensteuerung mit einer Warn- und einer Abschaltgrenze verknüpft ist. Die Grenzen werden nicht aus dem Neuzustand abgeleitet, sondern aus der Erstvalidierung: Der Sensorwert, der zum Zeitpunkt der nachgewiesenen Wirksamkeit vorlag, wird zum Referenzpunkt, und die Alarmgrenze liegt oberhalb des Wertes, bei dem die geforderte Fluenz am kritischen Ort unterschritten wird.

Bedeutsamer als die Schnittstelle ist die Trendauswertung. Lampenalterung, Fensterverschmutzung und Reflektordegradation verlaufen langsam und monoton – Näheres dazu unter Alterung von UV-Lampen und UV-LEDs. Ein Grenzwertvergleich erkennt sie erst kurz vor dem Ausfall, eine Trendauswertung Wochen vorher und erlaubt die Planung von Reinigung und Lampentausch im ohnehin vorgesehenen Stillstand. Bei dimmbaren Quellen – LED und teilweise elektronisch betriebene Gasentladungslampen – lässt sich der Sensorwert zusätzlich als Regelgröße nutzen: Die Steuerung hält die Bestrahlungsstärke konstant und kompensiert Alterung, bis die Leistungsreserve erschöpft ist. Die Einbindung solcher Sensorik in SPS und Linienleitsystem behandelt die Marktseite UV-Technik für Automatisierung und Prozessintegration ausführlich.

Für die Rückverfolgbarkeit werden Fluenzwerte chargenbezogen aufgezeichnet und mit Bandgeschwindigkeit und Stillstandszeiten verknüpft: Ein Linienstopp im Tunnel bedeutet lokale Überdosierung mit möglicher Materialschädigung, ein zu schneller Wiederanlauf mit noch nicht eingelaufener Lampe bedeutet Unterdosierung.

Messunsicherheit. Relevant sind die Kalibrierunsicherheit des Referenzgeräts, die spektrale Fehlanpassung zwischen Sensorempfindlichkeit und Quellenspektrum, der Kosinusfehler der Eingangsoptik bei schrägem Einfall und die Positionierunsicherheit, die über das Abstandsquadratgesetz überproportional eingeht. In engen Geometrien ist der Positionierbeitrag häufig der größte – wenige Millimeter Versatz können mehr Fehler erzeugen als die gesamte Kalibrierkette. Rückführbarkeit auf nationale Normale ist Voraussetzung dafür, dass Messwerte zwischen Lieferant, Anlagenbauer und Betreiber vergleichbar sind – dafür steht das nach DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 akkreditierte Kalibrierlabor.

Sechs Arbeiten liefern die fachliche Grundlage für die zentralen Aussagen dieses Textes zu Matrixeinfluss, Resistenzrangfolge und materialabhängiger Wirksamkeit:

1. Wie stark die Trägermatrix die UV-C-Wirkung dominiert. Bei identischer Fluenz von 1500 mJ/cm² bei 272 nm reichte die Reduktion von E. coli von mehr als sieben Zehnerpotenzen (aus Phosphatpuffer) bis zu etwa 1,5 Zehnerpotenzen (aus Nährmedium); Abschattung war in der reflektierenden Kammer dagegen ohne messbaren Einfluss. – Duering, H.; Westerhoff, T.; Kipp, F.; Stein, C.: Short-Wave Ultraviolet-Light-Based Disinfection of Surface Environment Using Light-Emitting Diodes, Microorganisms 11(2), 386, 2023.
2. Dass die Resistenzrangfolge von der Strahlungsquelle abhängt. Ein direkter Vergleich von gepulstem Licht und monochromatischem UV-C zeigte: Bakteriensporen waren bei 254 nm empfindlicher, pigmentierte Aspergillus-Konidien auf trockener Oberfläche dagegen unter gepulstem Licht – eine quellenunabhängige Dosisangabe für gemischte Zielflora ist damit nicht möglich. – Dorbani, I.; Berberian, A.; Riedel, C.; Duport, C.; Carlin, F.: Comparing resistance of bacterial spores and fungal conidia to pulsed light and UVC radiation at a wavelength of 254 nm, Food Microbiology 121, 104518, 2024.
3. Welche Fluenzen auf realen Kontaktflächen genügen. Mit UV-C-LED bei 279 nm erzielten bereits 6 mJ/cm² auf Borosilikatglas Reduktionen von etwa 2,8 bis 3,8 Zehnerpotenzen bei aufgetrockneten Bioaerosolen, auf Edelstahl 316L und Silikonkautschuk systematisch weniger – ein direkter Beleg für die Materialabhängigkeit der Auslegung. – Sharma, A.; Singh, A.; Pendyala, B.; Balamurugan, S.; Patras, A.: Inactivation of deposited bioaerosols on food contact surfaces with UV-C light emitting diode devices, Applied and Environmental Microbiology 91(1), e01093-24, 2024.
4. Warum 222 nm auf Packmittel- und Lebensmitteloberflächen anders wirkt als 254 nm. Eine vergleichende Untersuchung mit KrCl-Excimerlampe arbeitete heraus, dass die geringere Eindringtiefe zu abweichenden Inaktivierungsmechanismen und einer stärkeren Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit führt. – Ha, J.-W.; Lee, J.-I.; Kang, D.-H.: Application of a 222-nm krypton-chlorine excilamp to control foodborne pathogens on sliced cheese surfaces and characterization of the bactericidal mechanisms, International Journal of Food Microbiology 243, 96–102, 2017.
5. Warum Wasserstoffperoxid und UV in aseptischen Linien kombiniert werden. Eine mechanistische Arbeit zur sporiziden Wechselwirkung zeigt, dass die photolytische Aktivierung des Peroxids die Wirkung überadditiv erhöht und reduzierte Konzentrationen und Kontaktzeiten erlaubt. – Reidmiller, J. S.; Baldeck, J. D.; Rutherford, G. C.; Marquis, R. E.: Characterization of UV-peroxide killing of bacterial spores, Journal of Food Protection 66(7), 1233–1240, 2003.
6. Dass subletale Dosen zu Wiederverkeimung führen können. Eine Modellierung von Photoreaktivierung und Dunkelreparatur in Abhängigkeit von der UV-C-Fluenz ist relevant für alle Prozesse, die knapp über der Mindestdosis ausgelegt sind. – Nebot Sanz, E.; Salcedo Dávila, I.; Andrade Balao, J. A.; Quiroga Alonso, J. M.: Modelling of reactivation after UV disinfection: Effect of UV-C dose on subsequent photoreactivation and dark repair, Water Research 41(14), 3141–3151, 2007.

Auch in Veröffentlichungen von Opsytec-Kunden taucht die UV-C-Behandlung flüssiger Lebensmittel auf – mit derselben Frage nach Eindringtiefe und Matrixeinfluss, die auch für Verschlüsse und Deckelfolien entscheidend ist.

Untersucht eine temperaturabhängige Anomalie der UV-Transluzenz von Milch, die für die Auslegung von UV-C-Konservierungsverfahren relevant ist – gemessen auf einer Opsytec-Bestrahlungskammer BS-04.
Observation of a temperature dependent anomaly in the UV translucency of milk useful for UV-C preservation techniques
Fiege, Jaayke L., et al. "Observation of a temperature dependent anomaly in the UV translucency of milk useful for UV-C preservation techniques." Scientific Reports 13.1 (2023): 21937.

Zeigt im Technikumsmaßstab, wie sich Bakteriophagen in Molke durch UV-C-Behandlung reduzieren lassen – ein Fall, bei dem die Trübung des Mediums direkt in die erreichbare Reduktion eingeht.
From lab to technical scale: Ultraviolet C treatment for the reduction of Lactococcus lactis bacteriophage P008 in whey
Schubert, Christina, et al. "From lab to technical scale: Ultraviolet C treatment for the reduction of Lactococcus lactis bacteriophage P008 in whey." International Dairy Journal 147 (2023): 105785.

Vergleicht Membranfiltration mit anschließender thermischer oder UV-C-Behandlung als orthogonale Strategien, um Molke phagenfrei zu bekommen – ein Beleg dafür, dass UV-C-Prozesse für flüssige Lebensmittel meist als Teil einer Prozesskette bewertet werden, nicht isoliert.
Orthogonal processing strategies to create “phage-free” whey–membrane filtration followed by thermal or ultraviolet C treatment for the reduction of Lactococcus lactis bacteriophages
Michel, Christina, et al. "Orthogonal processing strategies to create ‘phage-free’ whey–membrane filtration followed by thermal or ultraviolet C treatment for the reduction of Lactococcus lactis bacteriophages." International Dairy Journal 122 (2021): 105149.

Weitere Kundenarbeiten zu benachbarten Themen finden sich gesammelt unter Veröffentlichungen von Kunden nach Themen.

1. DVGW-Regelwerk W 294-1 bis W 294-3 in Verbindung mit DIN 19294-2:2026-04 – Referenzrahmen für reduktionsäquivalente Fluenz, Gerätesensoren und Biodosimetrie in der Wasserdesinfektion.
2. ISO 15858:2016, UV-C Devices – Safety information – Permissible human exposure – Mindestanforderungen an den Personenschutz bei UV-C-Geräten; vertiefend dazu die Richtlinien, Normen und Standards im UV.
3. 21 CFR 179.39 und 21 CFR 179.41 (US Food and Drug Administration) – zulässige Bedingungen für UV-Strahlung beziehungsweise gepulstes Licht bei der Behandlung von Lebensmitteln.
4. EHEDG Doc. 3 (Microbiologically safe aseptic packing of food products) und EHEDG Doc. 39 (Design Principles for Equipment and Process Areas for Aseptic Food Manufacturing), im EHEDG-Guideline-Katalog – hygienegerechte Gestaltung von Entkeimungs- und Abfüllzonen.
5. Jildeh, Z. B.; Wagner, P. H.; Schöning, M. J.: Sterilization of Objects, Products, and Packaging Surfaces and Their Characterization in Different Fields of Industry: The Status in 2020, physica status solidi (a), 2020 – Übersicht zu Sterilisationsverfahren, Anforderungen an aseptische Abfüllmaschinen und SAL-Konzept.
6. IUVA Guidance Documents zur Fluenzbestimmung sowie Bolton, J. R.; Linden, K. G.: Standardization of Methods for Fluence (UV Dose) Determination in Bench-Scale UV Experiments, Journal of Environmental Engineering 129(3), 209–215, 2003 – methodische Basis der Fluenzbestimmung, einschließlich Petrifaktor, Reflexion und spektraler Wichtung.

Welche Wellenlänge eignet sich für die UV-Entkeimung von Verpackungen?
Maßgeblich ist der UV-C-Bereich zwischen 200 und 280 nm, weil dort Nukleinsäuren absorbieren; das DNA-Absorptionsmaximum liegt bei etwa 260 bis 265 nm. Quecksilberniederdrucklampen liefern 253,7 nm, UV-C-LED typisch 265 bis 285 nm, KrCl-Excimerlampen 222 nm. Die Wahl richtet sich nach Zielorganismus, Geometrie, Personenschutz und Materialverträglichkeit – nicht nach der Wirksamkeit allein.

Welche UV-Dosis ist für eine Verschlusskappe oder Deckelfolie erforderlich?
Eine allgemeingültige Zahl existiert nicht. Die erforderliche Fluenz ergibt sich aus dem resistentesten relevanten Organismus, der Ausgangskeimzahl, der geforderten Zehnerpotenzenreduktion und dem Oberflächenzustand. Vegetative Bakterien auf glatten, sauberen Flächen benötigen wenige bis einige zehn mJ/cm², trockene Schimmelkonidien Größenordnungen mehr; die Auslegung erfolgt über den ungünstigsten Punkt der Oberfläche.

Warum funktioniert eine UV-Entkeimung trotz nominell ausreichender Lampenleistung nicht?
Weil elektrische Leistung keine optische Dosis ist und die Fluenz am kritischen Ort von Winkel, Abstand, Abschattung, Fensterverschmutzung und Lampenalterung abhängt. Der häufigste Einzelgrund ist jedoch die Matrix: Organische Rückstände absorbieren UV-C und können die erreichte Reduktion um mehrere Zehnerpotenzen senken, ohne dass sich ein Messwert an der Tunnelwand ändert. Warum die Leistungsangabe grundsätzlich keine Messgröße ist, ist unter radiometrischen Größen hergeleitet.

Auf welche Stelle einer Verschlusskappe kommt es bei der Messung an?
Nicht auf die außen zugängliche Kappenoberseite, sondern auf die Innenflanke und die Dichtlippe – genau dort, wo Einfallswinkel und Abstand die Fluenz gegenüber der Referenzebene am stärksten drücken. Ein Sensor, der nur die bequeme Position in Tunnelmitte erfasst, übersieht diesen Punkt systematisch; erst eine ortsauflösende Messung in der Geometrie der kritischen Fläche zeigt den tatsächlichen Wert.

Warum reicht die Fluenz aus der Referenzebene nicht als Kennzahl?
Weil sie nur den Zustand direkt unter der Quelle beschreibt. Kosinusfaktor und Abstandsquadratgesetz senken die tatsächlich ankommende Energiedichte an einer schräg stehenden Innenfläche oft auf ein Drittel oder weniger – im Rechenbeispiel auf der Seite sinkt die Bestrahlungsstärke von 60 auf rund 18 mW/cm². Nur die Fluenz an der kritischen Stelle selbst korreliert mit der erreichten Keimreduktion.

Wann ist eine spektrale Messung notwendig und wann genügt Breitbandmessung?
Eine spektrale Messung ist erforderlich bei polychromatischen Quellen wie Mitteldrucklampen und gepulstem Xenonlicht, bei UV-C-LED wegen Wellenlängendrift und Halbwertsbreite sowie bei jedem Quellenwechsel. Ist das Spektrum bekannt und stabil, genügt für die Betriebsüberwachung ein breitbandiges Gerät mit rückgeführtem Bezug auf die spektrale Erstcharakterisierung.

Warum ersetzt UV-C nicht in jedem Fall Wasserstoffperoxid?
Weil Sporen und pigmentierte Konidien optisch abgeschirmt sind und rein optisch nur mit hohen Fluenzen inaktiviert werden, die in getakteten Linien Durchsatz kosten. Die photolytische Aktivierung von Wasserstoffperoxid wirkt überadditiv und erlaubt es, sowohl die Peroxidkonzentration als auch die optische Dosis zu senken.

Sind UV-entkeimte Packmittel materialseitig unbedenklich?
Nicht automatisch. Hohe UV-C-Fluenzen können Polymere oberflächlich verändern und Additive photolytisch spalten; unterhalb etwa 240 nm entsteht zusätzlich Ozon. Für Lebensmittelkontakt ist deshalb neben der mikrobiologischen Wirksamkeit auch die Materialverträglichkeit im tatsächlich applizierten Fluenzbereich zu bewerten – einschließlich der lokalen Überdosierung bei Linienstopp.

Die Entkeimung im Takt greift auf drei Nachbarfelder zurück: Die UV-Desinfektion liefert Wirkprinzip, Fluenzbegriff und Dosis-Wirkungs-Kurven, Pflanzen, Landwirtschaft und Lebensmitteltechnologie behandelt die Behandlung des Produkts selbst statt seiner Verpackung, und die Automatisierung und Prozessintegration beschreibt, wie aus einem Messwert eine Freigabe wird. Angrenzend behandeln die UV-Härtung und Photopolymerisation die Bedruckung und Lackierung von Verpackungen und die Elektronik- und Halbleiterfertigung vergleichbare Inline-Prozesse.

Unklar, welche Fluenz die Innenflanke der Verschlusskappe im laufenden Takt tatsächlich erreicht – und ob der Sensorwert an der Tunnelwand diese Stelle überhaupt abbildet? Die Frage lässt sich nur durch eine ortsauflösende, winkelrichtige Messung an der kritischen Fläche und eine spektrale Charakterisierung der eingesetzten Quelle beantworten. Für die Auslegung, Validierung und laufende Überwachung von UV-Entkeimungsschritten in Verpackungs- und Abfülllinien steht das akkreditierte Kalibrierlabor der Opsytec Dr. Gröbel GmbH mit rückgeführter Strahlungsmesstechnik zur Verfügung – schreiben Sie uns Ihre Fragestellung.